JPWO2015189888A1 - Gas sensor and sensor device - Google Patents

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Abstract

検知対象ガスを配位させる正電荷キャリアを含有する固体電解質層と、前記固体電解質層における一方の面上の一部に配された電極と、前記正電荷キャリアの移動を促進する手段とを有するガスセンサーである。A solid electrolyte layer containing positive charge carriers for coordinating the gas to be detected; an electrode disposed on a part of one surface of the solid electrolyte layer; and means for promoting the movement of the positive charge carriers. It is a gas sensor.

Description

本件は、ガスセンサー、及び前記ガスセンサーを備えるセンサー装置に関する。   The present disclosure relates to a gas sensor and a sensor device including the gas sensor.

従来、アンモニア、窒素酸化物などのガスを検知するガスセンサーとしては、電気抵抗の変化に基づいてガスを検知するガスセンサーが用いられている。前記ガスセンサーは、二酸化スズなどの半導体の表面への前記ガスの吸着に起因する前記半導体の電気抵抗の変化に基づいて前記ガスを検知する。
電気抵抗の変化に基づいてガスを検知する前記ガスセンサーにおいては、変化する電気抵抗を測定するために定電流電源を用いて前記半導体に電流を供給する必要がある。そのため、電気抵抗の変化に基づいてガスを検知する前記ガスセンサーは、検知回路自体の消費電力が大きくなるという問題がある。
また、前記ガスセンサーにおいては、前記半導体を、良好な検知特性が得られる温度(例えば、400℃)に加熱する必要がある。そのため、前記ガスセンサーは、前記ガスセンサーを加熱するためのヒーターに多くの電力を使用しなければならないという問題がある。
Conventionally, as a gas sensor for detecting a gas such as ammonia or nitrogen oxide, a gas sensor for detecting a gas based on a change in electric resistance has been used. The gas sensor detects the gas based on a change in electrical resistance of the semiconductor caused by adsorption of the gas on the surface of a semiconductor such as tin dioxide.
In the gas sensor that detects gas based on a change in electric resistance, it is necessary to supply a current to the semiconductor using a constant current power source in order to measure the changing electric resistance. Therefore, the gas sensor that detects gas based on a change in electrical resistance has a problem that power consumption of the detection circuit itself increases.
In the gas sensor, it is necessary to heat the semiconductor to a temperature (for example, 400 ° C.) at which good detection characteristics can be obtained. Therefore, the gas sensor has a problem that a large amount of electric power must be used for a heater for heating the gas sensor.

そこで、電気抵抗の変化ではなく、前記ガスの吸着に起因する電位差の変化に基づいてガスを検知するガスセンサーが提案されている。前記ガスセンサーとしては、例えば、酸素イオン伝導性、酸化物イオン伝導性、プロトン伝導性などのイオン伝導性を有する固体電解質を用いたガスセンサーが提案されている(例えば、特許文献1〜4参照)。
しかし、これらの提案の技術においては、使用する前記固体電解質(例えば、ジルコニア)が良好なイオン伝導性を示す温度は、300℃以上の高温である。また、これらの提案の技術では、前記固体電解質に電位差の変化を生じさせるために、吸着するガスの酸化反応などの化学反応を利用するため、前記化学反応が生じる温度に前記ガスセンサーを加熱する必要がある。
そのため、これらの提案の技術では、前記ガスセンサーを加熱するためのヒーターに多くの電力を使用しなければならないという問題がある。
In view of this, a gas sensor has been proposed that detects a gas based on a change in potential difference caused by adsorption of the gas, not a change in electrical resistance. As said gas sensor, the gas sensor using the solid electrolyte which has ion conductivity, such as oxygen ion conductivity, oxide ion conductivity, proton conductivity, is proposed, for example (for example, refer patent documents 1-4). ).
However, in these proposed techniques, the temperature at which the solid electrolyte (for example, zirconia) used exhibits good ion conductivity is a high temperature of 300 ° C. or higher. Further, in these proposed techniques, in order to cause a change in potential difference in the solid electrolyte, a chemical reaction such as an oxidation reaction of an adsorbed gas is used, so that the gas sensor is heated to a temperature at which the chemical reaction occurs. There is a need.
Therefore, in these proposed techniques, there is a problem that a large amount of electric power must be used for a heater for heating the gas sensor.

また、室温でガスを検知するガスセンサーとして、高感度で、かつ高選択的に室温のNHガスを検知できる、CuBr膜を用いたガスセンサーが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。この提案の技術では、電気抵抗の変化に基づいてガスを検知している。そのため、電気抵抗の変化を測定するために、定電流電源を用いて前記CuBr膜に電流を供給する必要があり、検知回路自体の消費電力が大きくなるという問題がある。Further, as a gas sensor for detecting gas at room temperature, a gas sensor using a CuBr film that can detect NH 3 gas at room temperature with high sensitivity and high selectivity has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1). ). In the proposed technique, gas is detected based on a change in electrical resistance. Therefore, in order to measure a change in electrical resistance, it is necessary to supply a current to the CuBr film using a constant current power source, which causes a problem that power consumption of the detection circuit itself increases.

従って、定電流電源を用いた電流の供給が必要ではなく、かつ加熱の必要がなく、省電力で使用できるガスセンサー、及び前記ガスセンサーを備えるセンサー装置の提供が求められているのが現状である。   Therefore, at present, there is a need to provide a gas sensor that does not need to be supplied with a current using a constant current power source and that does not require heating and can be used with low power consumption, and a sensor device including the gas sensor. is there.

特開2002−031619号公報JP 2002-031619 A 特開2005−221428号公報JP 2005-221428 A 特開2007−248335号公報JP 2007-248335 A 特開2009−198346号公報JP 2009-198346 A

Pascal Lauque, Marc Bendahan, Jean−Luc Seguin, Kieu An Ngo, Philippe Knauth, Analytica Chimica Acta, 515, (2004), 279−284Pascal Lauque, Marc Bendahan, Jean-Luc Seguin, Kieu An Ngo, Philippe Knauth, Analytical Chima Acta, 515, 279, (284)

本件は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本件は、定電流電源を用いた電流の供給が必要ではなく、かつ加熱の必要がなく、省電力で使用できるガスセンサー、及び、加熱の必要がなく、省電力で使用できるセンサー装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the conventional problems and achieve the following objects. That is, this case does not require the supply of current using a constant current power supply, and does not require heating, and can be used for power saving, and a sensor device that can be used for power saving without heating. The purpose is to provide.

前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
開示のガスセンサーの第1の態様は、
検知対象ガスを配位させる正電荷キャリアを含有する固体電解質層と、
前記固体電解質層における一方の面上の一部に配された第1の電極と、
前記固体電解質層の他方の面上において、前記第1の電極と対向しかつ前記検知対象ガスが接触する部分以外に配された第2の電極とを有する。
Means for solving the problems are as follows. That is,
The first aspect of the disclosed gas sensor comprises:
A solid electrolyte layer containing positive charge carriers for coordinating the gas to be detected;
A first electrode disposed on a part of one surface of the solid electrolyte layer;
On the other surface of the solid electrolyte layer, there is a second electrode arranged opposite to the first electrode and disposed at a portion other than the portion in contact with the detection target gas.

開示のガスセンサーの第2の態様は、
検知対象ガスを配位させる正電荷キャリアを含有する固体電解質層と、
前記固体電解質層における前記検知対象ガスが接触する側と反対側の面上に配された第1の電極、及び第2の電極と、
前記固体電解質層内における、前記固体電解質層の面方向かつ前記第2の電極から前記第1の電極の方向への前記正電荷キャリアの移動を促進する手段とを有する。
A second aspect of the disclosed gas sensor comprises:
A solid electrolyte layer containing positive charge carriers for coordinating the gas to be detected;
A first electrode and a second electrode disposed on a surface opposite to the side in contact with the detection target gas in the solid electrolyte layer;
Means for accelerating the movement of the positive charge carriers in the surface direction of the solid electrolyte layer and in the direction from the second electrode to the first electrode in the solid electrolyte layer.

開示のセンサー装置は、
開示の前記ガスセンサーと、
前記ガスセンサーの前記第1の電極に接続し、前記ガスセンサーの電位差の変化を検知する手段とを有する。
The disclosed sensor device is
The disclosed gas sensor;
Means for detecting a change in potential difference of the gas sensor, connected to the first electrode of the gas sensor.

開示のガスセンサーによれば、従来における前記諸問題を解決することができ、定電流電源を用いた電流の供給が必要ではなく、かつ加熱の必要がなく、省電力で使用できるガスセンサーを提供できる。
開示のセンサー装置によれば、従来における前記諸問題を解決することができ、加熱の必要がなく、省電力で使用できるセンサー装置を提供することができる。
According to the disclosed gas sensor, it is possible to solve the above-mentioned conventional problems, and to provide a gas sensor that can be used with low power consumption without the need of supplying a current using a constant current power source and heating. it can.
According to the disclosed sensor device, the conventional problems can be solved, and a sensor device that can be used with low power consumption without heating is provided.

図1Aは、開示のガスセンサーの第1の態様における一例の断面模式図である。FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of an example of the first aspect of the disclosed gas sensor. 図1Bは、開示のガスセンサーの第1の態様における一例の一方の面の模式図である。FIG. 1B is a schematic diagram of one surface of an example in the first aspect of the disclosed gas sensor. 図1Cは、開示のガスセンサーの第1の態様における一例の他方の面の模式図である。FIG. 1C is a schematic diagram of the other surface of an example in the first aspect of the disclosed gas sensor. 図2は、開示のガスセンサーの第1の態様における他の一例の断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of another example of the first aspect of the disclosed gas sensor. 図3は、開示のガスセンサーの第2の態様における一例の断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an example in the second aspect of the disclosed gas sensor. 図4Aは、開示のガスセンサーの第2の態様における他の一例の断面模式図である。FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of another example of the second aspect of the disclosed gas sensor. 図4Bは、開示のガスセンサーの第2の態様における他の一例の一方の面の模式図である。FIG. 4B is a schematic view of one surface of another example of the second aspect of the disclosed gas sensor. 図4Cは、開示のガスセンサーの第2の態様における他の一例の他方の面の模式図である。FIG. 4C is a schematic diagram of the other surface of another example in the second aspect of the disclosed gas sensor. 図5は、開示のセンサー装置の一例の断面模式図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an example of the disclosed sensor device. 図6Aは、実施例1のガスセンサーの断面模式図である。6A is a schematic cross-sectional view of the gas sensor of Example 1. FIG. 図6Bは、実施例1のガスセンサーの一方の面の模式図である。6B is a schematic diagram of one surface of the gas sensor of Example 1. FIG. 図6Cは、実施例1のガスセンサーの他方の面の模式図である。6C is a schematic diagram of the other surface of the gas sensor of Example 1. FIG. 図7は、実施例1のガスセンサーの電位差を測定した結果を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the results of measuring the potential difference of the gas sensor of Example 1. 図8Aは、実施例2のガスセンサーの断面模式図である。FIG. 8A is a schematic cross-sectional view of the gas sensor of Example 2. 図8Bは、実施例2のガスセンサーの一方の面の模式図である。FIG. 8B is a schematic diagram of one surface of the gas sensor according to the second embodiment. 図8Cは、実施例2のガスセンサーの他方の面の模式図である。FIG. 8C is a schematic diagram of the other surface of the gas sensor according to the second embodiment. 図9は、実施例2のガスセンサーの電位差を測定した結果を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the results of measuring the potential difference of the gas sensor of Example 2. 図10は、実施例3のガスセンサーの断面模式図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor according to the third embodiment. 図11は、実施例3のガスセンサーの電位差を測定した結果を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the results of measuring the potential difference of the gas sensor of Example 3. 図12Aは、実施例4のガスセンサーの断面模式図である。FIG. 12A is a schematic cross-sectional view of the gas sensor of Example 4. 図12Bは、実施例4のガスセンサーの一方の面の模式図である。12B is a schematic view of one surface of the gas sensor of Example 4. FIG. 図12Cは、実施例4のガスセンサーの他方の面の模式図である。12C is a schematic diagram of the other surface of the gas sensor of Example 4. FIG. 図13は、実施例4のガスセンサーの電位差を測定した結果を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing the results of measuring the potential difference of the gas sensor of Example 4. 図14Aは、比較例1のガスセンサーの断面模式図である。14A is a schematic cross-sectional view of a gas sensor of Comparative Example 1. FIG. 図14Bは、比較例1のガスセンサーの一方の面の模式図である。14B is a schematic diagram of one surface of the gas sensor of Comparative Example 1. FIG. 図14Cは、比較例1のガスセンサーの他方の面の模式図である。14C is a schematic view of the other surface of the gas sensor of Comparative Example 1. FIG. 図15は、比較例1のガスセンサーの電位差を測定した結果を示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing the results of measuring the potential difference of the gas sensor of Comparative Example 1.

(ガスセンサー)
<第1の態様>
開示のガスセンサーの第1の態様は、固体電解質層と、第1の電極と、第2の電極とを少なくとも有し、更に必要に応じて、その他の手段を有する。
(Gas sensor)
<First aspect>
The first aspect of the disclosed gas sensor includes at least a solid electrolyte layer, a first electrode, and a second electrode, and further includes other means as necessary.

<<固体電解質層>>
前記固体電解質層としては、検知対象ガスを配位させる正電荷キャリアを含有する固体電解質層であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記正電荷キャリアは、常温において移動可能であることが好ましい。
ここで、「常温」とは、前記ガスセンサーが加熱されていない状態の温度を意味し、例えば、25℃である。
「移動可能」とは、前記ガスセンサーにおいて電位差の変化が確認できる程度に前記正電荷キャリアが移動できることを意味する。
<< Solid electrolyte layer >>
The solid electrolyte layer is not particularly limited as long as it is a solid electrolyte layer containing a positive charge carrier that coordinates the detection target gas, and can be appropriately selected according to the purpose.
The positive charge carriers are preferably movable at room temperature.
Here, “normal temperature” means a temperature at which the gas sensor is not heated, and is, for example, 25 ° C.
“Moveable” means that the positive charge carriers can move to such an extent that a change in potential difference can be confirmed in the gas sensor.

前記検知対象ガスとしては、前記正電荷キャリアに配位可能なガスであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記正電荷キャリアに配位可能なガスとしては、例えば、窒素含有化合物、酸素含有化合物、硫黄含有化合物などが挙げられる。前記窒素含有化合物としては、例えば、アンモニア、アミン、一酸化窒素などが挙げられる。前記硫黄含有化合物としては、例えば、硫化水素、二酸化硫黄などが挙げられる。   The detection target gas is not particularly limited as long as it is a gas that can be coordinated to the positive charge carrier, and can be appropriately selected according to the purpose. Examples of the gas capable of coordinating with the positive charge carrier include nitrogen-containing compounds, oxygen-containing compounds, and sulfur-containing compounds. Examples of the nitrogen-containing compound include ammonia, amine, and nitric oxide. Examples of the sulfur-containing compound include hydrogen sulfide and sulfur dioxide.

前記正電荷キャリアとしては、前記検知対象ガスを配位させるキャリアであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、キャリア移動性に優れる点で、銅イオン及び銀イオンの少なくともいずれかが好ましい。   The positive charge carrier is not particularly limited as long as it is a carrier that coordinates the detection target gas, and can be appropriately selected according to the purpose. However, copper ions and silver ions are excellent in terms of carrier mobility. At least one of these is preferable.

前記固体電解質層の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、臭化第一銅(CuBr)、硫化第一銅(CuS)、硫化銀(AgS)、ヨウ化銀(AgI)、ヨウ化銀ルビジウム(RbAg)などが挙げられる。これらの固体電解質は、常温(例えば、25℃)でも十分な正電荷キャリアの移動性を有するため、前記固体電解質層に使用することができる。これらの中でも、臭化第一銅が、常温での正電荷キャリアの移動性に優れる点で好ましい。
前記固体電解質層の形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
The material of the solid electrolyte layer is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose, for example, cuprous bromide (CuBr), cuprous sulfide (Cu 2 S), silver sulfide (Ag 2 S), silver iodide (AgI), silver rubidium iodide (RbAg 4 I 5 ) and the like. Since these solid electrolytes have sufficient positive charge carrier mobility even at room temperature (for example, 25 ° C.), they can be used for the solid electrolyte layer. Among these, cuprous bromide is preferable in that it has excellent mobility of positive charge carriers at room temperature.
There is no restriction | limiting in particular as a shape, a magnitude | size, and a structure of the said solid electrolyte layer, According to the objective, it can select suitably.

前記固体電解質層の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、スパッタリング法などが挙げられる。また、前記固体電解質層の材質が、臭化第一銅の場合には、銅を臭化第二銅水溶液に浸漬させて、前記銅を臭化第一銅に変化させる方法などが挙げられる。   There is no restriction | limiting in particular as a formation method of the said solid electrolyte layer, According to the objective, it can select suitably, For example, sputtering method etc. are mentioned. Moreover, when the material of the said solid electrolyte layer is cuprous bromide, the method of immersing copper in cupric bromide aqueous solution and changing the said copper to cuprous bromide etc. is mentioned.

<<第1の電極>>
前記第1の電極としては、前記固体電解質層における一方の面上の一部に配された電極であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記第1の電極の材質としては、例えば、前記正電荷キャリアの金属元素よりも貴なる金属などが挙げられる。
また、前記第1の電極の材質は、前記正電荷キャリアの金属元素と同じ金属であることが、前記固体電解質層の電位が安定になる点で、好ましい。なお、前記第1の電極が積層構造の場合、前記固体電解質層に接する電極の材質が、前記正電荷キャリアの金属元素と同じ金属であることが好ましい。
前記第1の電極の形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記第1の電極の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記固体電解質層の平均厚み以下が好ましい。
<< first electrode >>
The first electrode is not particularly limited as long as it is an electrode disposed on a part of one surface of the solid electrolyte layer, and can be appropriately selected according to the purpose.
Examples of the material of the first electrode include a metal that is nobler than the metal element of the positive charge carrier.
Moreover, it is preferable that the material of the first electrode is the same metal as the metal element of the positive charge carrier from the viewpoint that the potential of the solid electrolyte layer becomes stable. In the case where the first electrode has a laminated structure, it is preferable that the material of the electrode in contact with the solid electrolyte layer is the same metal as the metal element of the positive charge carrier.
There is no restriction | limiting in particular as a shape, a magnitude | size, and a structure of a said 1st electrode, According to the objective, it can select suitably.
There is no restriction | limiting in particular as average thickness of a said 1st electrode, Although it can select suitably according to the objective, Less than the average thickness of the said solid electrolyte layer is preferable.

前記第1の電極の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、真空蒸着法などが挙げられる。   There is no restriction | limiting in particular as a formation method of a said 1st electrode, According to the objective, it can select suitably, For example, a vacuum evaporation method etc. are mentioned.

<<第2の電極>>
前記第2の電極としては、前記固体電解質層の他方の面上において、前記第1の電極と対向しかつ前記検知対象ガスが接触する部分以外の少なくとも一部に配された電極であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記第2の電極の材質としては、例えば、前記正電荷キャリアの金属元素よりも貴なる金属などが挙げられる。
また、前記第2の電極の材質は、前記正電荷キャリアの金属元素と同じ金属であることが、前記固体電解質層の電位が安定になる点で、好ましい。なお、前記第2の電極が積層構造の場合、前記固体電解質層に接する電極の材質が、前記正電荷キャリアの金属元素と同じ金属であることが好ましい。
前記第2の電極の形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<< second electrode >>
The second electrode is an electrode disposed on at least a part of the other surface of the solid electrolyte layer other than a part facing the first electrode and in contact with the detection target gas. There is no restriction | limiting in particular, According to the objective, it can select suitably.
Examples of the material of the second electrode include a metal that is nobler than the metal element of the positive charge carrier.
In addition, it is preferable that the material of the second electrode is the same metal as the metal element of the positive charge carrier from the viewpoint that the potential of the solid electrolyte layer becomes stable. When the second electrode has a laminated structure, it is preferable that the material of the electrode in contact with the solid electrolyte layer is the same metal as the metal element of the positive charge carrier.
There is no restriction | limiting in particular as a shape, a magnitude | size, and a structure of a said 2nd electrode, According to the objective, it can select suitably.

前記第2の電極の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、真空蒸着法などが挙げられる。   There is no restriction | limiting in particular as a formation method of a said 2nd electrode, According to the objective, it can select suitably, For example, a vacuum evaporation method etc. are mentioned.

<<その他の手段>>
前記その他の手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、正電荷キャリアの移動を促進する手段などが挙げられる。
<< Other means >>
There is no restriction | limiting in particular as said other means, According to the objective, it can select suitably, For example, the means etc. which promote the movement of a positive charge carrier are mentioned.

−正電荷キャリアの移動を促進する手段−
前記正電荷キャリアの移動を促進する手段としては、例えば、前記固体電解質層の前記他方の面上において、前記第1の電極と対向しかつ前記検知対象ガスが接触する部分に配された、前記正電荷キャリアに配位可能な物質を含みかつ前記検知対象ガスを透過する層などが挙げられる。前記ガスセンサーが、前記正電荷キャリアの移動を促進する手段を備えることにより、前記固体電解質層における前記正電荷キャリアの移動が促進され、電位差の変化を大きくすることができる。
-Means for promoting the movement of positive charge carriers-
As means for promoting the movement of the positive charge carriers, for example, on the other surface of the solid electrolyte layer, the first electrode is opposed to the first electrode and the detection target gas is arranged in contact with the positive electrode. Examples thereof include a layer containing a substance capable of coordinating with positive charge carriers and transmitting the detection target gas. By providing the gas sensor with means for promoting the movement of the positive charge carriers, the movement of the positive charge carriers in the solid electrolyte layer is promoted, and the change in potential difference can be increased.

前記正電荷キャリアに配位可能な物質を含みかつ前記検知対象ガスを透過する層は、前記検知対象ガスを透過するため、前記固体電解質層の前記正電荷キャリアへの前記検知対象ガスの配位を阻害しない。
前記正電荷キャリアに配位可能な物質としては、例えば、炭素−炭素2重結合を有する有機物質などが挙げられる。前記炭素−炭素2重結合を有する有機物質としては、例えば、天然ゴム(ポリイソプレン)、ポリイソプレン、ポリブタジエン等の合成ゴム、不飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸エステル、不飽和脂肪酸アミドなどが挙げられる。前記不飽和脂肪酸としては、例えば、オレイン酸、リノール酸などが挙げられる。
なお、前記炭素−炭素2重結合は、遷移金属の原子及びイオンに対して、電子を供与して配位結合を形成する能力がある。そのため、前記有機物質は、前記正電荷キャリアに配位することにより、前記固体電解質層に電子をドープすることができる。その結果、前記固体電解質層にバイアス電圧を導入することができ、前記正電荷キャリアの移動が促進される。
The layer containing a substance capable of coordinating with the positive charge carrier and transmitting the detection target gas transmits the detection target gas, and therefore the coordination of the detection target gas to the positive charge carrier of the solid electrolyte layer. Does not disturb.
Examples of the substance capable of coordinating with the positive charge carrier include an organic substance having a carbon-carbon double bond. Examples of the organic substance having a carbon-carbon double bond include synthetic rubbers such as natural rubber (polyisoprene), polyisoprene, and polybutadiene, unsaturated fatty acids, unsaturated fatty acid esters, and unsaturated fatty acid amides. Examples of the unsaturated fatty acid include oleic acid and linoleic acid.
The carbon-carbon double bond has the ability to form a coordination bond by donating electrons to atoms and ions of the transition metal. Therefore, the organic substance can dope electrons to the solid electrolyte layer by coordinating with the positive charge carriers. As a result, a bias voltage can be introduced into the solid electrolyte layer, and the movement of the positive charge carriers is promoted.

ここで、前記ガスセンサーの第1の態様について、図を用いて説明する。固体電解質層の材質が臭化第一銅であり、検知対象ガスがアンモニアである場合のガスセンサーについて説明する。
図1A〜図1Cに示すガスセンサーは、臭化第一銅からなる固体電解質層1と、金電極である第1の電極2と、銅電極である第2の電極層3とを有する。第1の電極2は、固体電解質層1における一方の面上の一部に配されている。第2の電極3は、固体電解質層1の他方の面上において、第1の電極2と対向しかつ検知対象ガスが接触するガス接触部分4以外に配されている。
Here, the 1st aspect of the said gas sensor is demonstrated using figures. A gas sensor when the material of the solid electrolyte layer is cuprous bromide and the detection target gas is ammonia will be described.
The gas sensor shown in FIGS. 1A to 1C includes a solid electrolyte layer 1 made of cuprous bromide, a first electrode 2 that is a gold electrode, and a second electrode layer 3 that is a copper electrode. The first electrode 2 is disposed on a part of one surface of the solid electrolyte layer 1. The second electrode 3 is disposed on the other surface of the solid electrolyte layer 1 other than the gas contact portion 4 facing the first electrode 2 and in contact with the detection target gas.

固体電解質層1の表面であるガス接触部分4に、アンモニアが吸着する。そうすると、ガス接触部分4に位置する銅イオンに前記アンモニアが配位する。前記アンモニアが配位した前記銅イオンは、固体電解質層1のガス接触部分4に固定されるため、正電荷キャリアとしては働かなくなる。そうすると、ガス接触部分4と、ガス接触部分4に対向する電極2との間の固体電解質層1(図1A中の領域α)では、正電荷キャリア濃度が下がることになる。
一方、第2の電極3により被覆された面を有する領域βでは、ガスが接触することに起因する正電荷キャリア濃度の低下は起きない。
そのため、固体電解質層1内の領域αと、領域βとでは、正電荷キャリア濃度が異なる状態が生じる。そうすると、正電荷キャリアは、固体電解質層1内部での濃度を均一にするように、領域βから領域αへ自発的に移動する。その結果として、固体電解質層1内部では、電位差が変化する。
Ammonia is adsorbed on the gas contact portion 4 which is the surface of the solid electrolyte layer 1. Then, the ammonia is coordinated to the copper ions located in the gas contact portion 4. Since the copper ions coordinated with the ammonia are fixed to the gas contact portion 4 of the solid electrolyte layer 1, they do not function as positive charge carriers. If it does so, in the solid electrolyte layer 1 (area | region (alpha) in FIG. 1A) between the gas contact part 4 and the electrode 2 which opposes the gas contact part 4, a positive charge carrier density | concentration will fall.
On the other hand, in the region β having the surface covered with the second electrode 3, the decrease in the positive charge carrier concentration due to the gas contact does not occur.
Therefore, a state in which the positive charge carrier concentration is different between the region α in the solid electrolyte layer 1 and the region β occurs. Then, the positive charge carriers spontaneously move from the region β to the region α so as to make the concentration inside the solid electrolyte layer 1 uniform. As a result, the potential difference changes inside the solid electrolyte layer 1.

ガス接触部分4に固定される銅イオンの表面積あたりの数は、ガス接触部分4でのアンモニアの吸着平衡で決定されるため、アンモニアが低濃度の場合、ガス接触部分4に固定される銅イオンの表面積あたりの数は、雰囲気中のアンモニア濃度に比例する。そのため、正電荷キャリアの濃度を均一にするために領域βから領域αへ移動する銅イオンの数と、それによって生み出される電位差とは、アンモニア濃度に比例する。従って、第1の電極2と、第2の電極3との間の電位差を測定することで、検知対象ガスの濃度を測定することができる。   Since the number per surface area of the copper ions fixed to the gas contact portion 4 is determined by the adsorption equilibrium of ammonia in the gas contact portion 4, the copper ions fixed to the gas contact portion 4 when the ammonia concentration is low. The number per surface area is proportional to the ammonia concentration in the atmosphere. Therefore, the number of copper ions moving from the region β to the region α in order to make the concentration of positive charge carriers uniform, and the potential difference generated thereby are proportional to the ammonia concentration. Therefore, the concentration of the detection target gas can be measured by measuring the potential difference between the first electrode 2 and the second electrode 3.

次に、前記ガスセンサーの第1の態様の他の一例を示す。
図2は、前記ガスセンサーの第1の態様における他の一例の断面模式図である。
図2のガスセンサーは、固体電解質層1のガス接触部分に、正電荷キャリアの移動を促進する手段としての天然ゴム層5が配されている。それ以外の構成は、図1A〜図1Cのガスセンサーと同様である。天然ゴム層5の厚みは薄く、天然ゴム層5は、前記検知対象ガスを透過可能である。
Next, another example of the first aspect of the gas sensor will be described.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of another example of the first aspect of the gas sensor.
In the gas sensor of FIG. 2, a natural rubber layer 5 is disposed at a gas contact portion of the solid electrolyte layer 1 as a means for promoting the movement of positive charge carriers. Other configurations are the same as those of the gas sensor of FIGS. 1A to 1C. The natural rubber layer 5 is thin, and the natural rubber layer 5 can transmit the detection target gas.

図2のガスセンサーにおいては、天然ゴム層5が有する炭素−炭素2重結合が固体電解質層1に電子をドープすることで、固体電解質層1にバイアス電圧を導入することができ、その結果、正電荷キャリアの移動が促進される。   In the gas sensor of FIG. 2, the carbon-carbon double bond of the natural rubber layer 5 can dope electrons into the solid electrolyte layer 1, whereby a bias voltage can be introduced into the solid electrolyte layer 1. The movement of positive charge carriers is promoted.

<第2の態様>
開示のガスセンサーの第2の態様は、固体電解質層と、第1の電極と、第2の電極と、正電荷キャリアの移動を促進する手段とを少なくとも有し、更に必要に応じて、その他の手段を有する。
<Second aspect>
A second aspect of the disclosed gas sensor has at least a solid electrolyte layer, a first electrode, a second electrode, and a means for promoting the movement of positive charge carriers, and, if necessary, other It has the means.

<<固体電解質層>>
前記固体電解質層としては、検知対象ガスを配位させる正電荷キャリアを含有する固体電解質層であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記ガスセンサーの前記第1の態様において例示した前記固体電解質層などが挙げられる。前記固体電解質層の好ましい態様についても、前記ガスセンサーの前記第1の態様において例示した前記固体電解質層の好ましい態様と同様である。
<< Solid electrolyte layer >>
The solid electrolyte layer is not particularly limited as long as it is a solid electrolyte layer containing a positive charge carrier that coordinates the detection target gas, and can be appropriately selected according to the purpose. Examples thereof include the solid electrolyte layer exemplified in the first embodiment. The preferred embodiment of the solid electrolyte layer is also the same as the preferred embodiment of the solid electrolyte layer exemplified in the first embodiment of the gas sensor.

前記検知対象ガスとしては、前記正電荷キャリアに配位可能なガスであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、窒素含有化合物、酸素含有化合物、硫黄含有化合物などが挙げられる。前記窒素含有化合物としては、例えば、アンモニア、アミン、一酸化窒素などが挙げられる。前記硫黄含有化合物としては、例えば、硫化水素、二酸化硫黄などが挙げられる。   The gas to be detected is not particularly limited as long as it is a gas that can be coordinated to the positive charge carrier, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, the nitrogen-containing compound, the oxygen-containing compound, and the sulfur-containing compound Etc. Examples of the nitrogen-containing compound include ammonia, amine, and nitric oxide. Examples of the sulfur-containing compound include hydrogen sulfide and sulfur dioxide.

<<第1の電極、及び第2の電極>>
前記第1の電極、及び前記第2の電極としては、前記固体電解質層における前記検知対象ガスが接触する側と反対側の面上に配される電極であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記ガスセンサーの前記第1の態様において例示した前記第1の電極、及び前記第2の電極などがそれぞれ挙げられる。前記第1の電極、及び前記第2の電極の好ましい態様についても、前記ガスセンサーの前記第1の態様において例示した前記第1の電極、及び前記第2の電極の好ましい態様とそれぞれ同様である。
<< first electrode and second electrode >>
The first electrode and the second electrode are not particularly limited as long as they are electrodes disposed on the surface of the solid electrolyte layer opposite to the side in contact with the detection target gas. For example, the first electrode and the second electrode exemplified in the first aspect of the gas sensor can be used. The preferred embodiments of the first electrode and the second electrode are also the same as the preferred embodiments of the first electrode and the second electrode exemplified in the first embodiment of the gas sensor. .

<<正電荷キャリアの移動を促進する手段>>
前記正電荷キャリアの移動を促進する手段としては、前記固体電解質層内における、前記固体電解質層の面方向かつ前記第2の電極から前記第1の電極の方向への前記正電荷キャリアの移動を促進する手段であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、装置構成が簡単な点で、電圧源が好ましく、省電力の点で、前記固体電解質層における前記検知対象ガスが接触する側の面上の少なくとも一部に配され、前記固体電解質層を被覆する層が好ましい。
<< Means for promoting the movement of positive charge carriers >>
As means for promoting the movement of the positive charge carriers, the movement of the positive charge carriers in the surface direction of the solid electrolyte layer and in the direction from the second electrode to the first electrode in the solid electrolyte layer is performed. There is no particular limitation as long as it is a means for promoting, and it can be appropriately selected according to the purpose. However, a voltage source is preferable in terms of simple apparatus configuration, and the detection in the solid electrolyte layer is preferable in terms of power saving. A layer that is disposed on at least a part of the surface on the side in contact with the target gas and covers the solid electrolyte layer is preferable.

−電圧源−
前記電圧源としては、前記固体電解質層における、前記固体電解質層の面方向かつ前記第2の電極から前記第1の電極の方向へ、バイアス電圧を印加可能な電源であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記電圧源を用いて前記固体電解質層の前記方向へバイアス電圧を印加することにより、前記固体電解質層における前記検知対象ガスが接触する側の面に、前記検知対象ガスが接触した際の、前記正電荷キャリアの移動が促進され、前記第1の電極と、前記第2の電極との間の電位差が変化する。
-Voltage source-
The voltage source is not particularly limited as long as it is a power source capable of applying a bias voltage in the surface direction of the solid electrolyte layer and in the direction from the second electrode to the first electrode in the solid electrolyte layer. Can be appropriately selected according to the purpose.
By applying a bias voltage in the direction of the solid electrolyte layer using the voltage source, the surface of the solid electrolyte layer on which the detection target gas comes into contact is contacted with the detection target gas. The movement of positive charge carriers is promoted, and the potential difference between the first electrode and the second electrode changes.

−固体電解質層を被覆する層−
前記固体電解質層を被覆する層としては、前記固体電解質層における前記検知対象ガスが接触する側の面上の少なくとも一部に配され、前記固体電解質層を被覆する層であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記正電荷キャリアに配位可能な物質を含みかつ前記検知対象ガスを透過する層であることが、固体電解質層内の正電荷キャリアの移動がより促進される点で、好ましい。
-Layer covering the solid electrolyte layer-
The layer covering the solid electrolyte layer is not particularly limited as long as it is disposed on at least a part of the surface of the solid electrolyte layer on the side in contact with the detection target gas and covers the solid electrolyte layer. The positive charge carriers move within the solid electrolyte layer, but can be appropriately selected according to the purpose, and the layer contains a substance capable of coordinating with the positive charge carriers and is permeable to the detection target gas. Is preferable in that it is further promoted.

前記正電荷キャリアに配位可能な物質を含みかつ前記検知対象ガスを透過する層は、前記検知対象ガスを透過するため、前記固体電解質層の前記正電荷キャリアへの前記検知対象ガスの配位を阻害しない。
前記正電荷キャリアに配位可能な物質としては、例えば、炭素−炭素2重結合を有する有機物質などが挙げられる。前記炭素−炭素2重結合を有する有機物質としては、例えば、天然ゴム(ポリイソプレン)、合成ポリイソプレン、ポリブタジエン、不飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸エステル、不飽和脂肪酸アミドなどが挙げられる。前記不飽和脂肪酸としては、例えば、オレイン酸、リノール酸などが挙げられる。
なお、前記炭素−炭素2重結合は、遷移金属の原子及びイオンに対して、電子を供与して配位結合を形成する能力がある。そのため、前記有機物質は、前記正電荷キャリアに配位することにより、前記固体電解質層に電子をドープすることができる。その結果、前記固体電解質層にバイアス電圧を導入することができ、前記正電荷キャリアの移動が促進される。
The layer containing a substance capable of coordinating with the positive charge carrier and transmitting the detection target gas transmits the detection target gas, and therefore the coordination of the detection target gas to the positive charge carrier of the solid electrolyte layer. Does not disturb.
Examples of the substance capable of coordinating with the positive charge carrier include an organic substance having a carbon-carbon double bond. Examples of the organic substance having a carbon-carbon double bond include natural rubber (polyisoprene), synthetic polyisoprene, polybutadiene, unsaturated fatty acid, unsaturated fatty acid ester, and unsaturated fatty acid amide. Examples of the unsaturated fatty acid include oleic acid and linoleic acid.
The carbon-carbon double bond has the ability to form a coordination bond by donating electrons to atoms and ions of the transition metal. Therefore, the organic substance can dope electrons to the solid electrolyte layer by coordinating with the positive charge carriers. As a result, a bias voltage can be introduced into the solid electrolyte layer, and the movement of the positive charge carriers is promoted.

前記固体電解質層における前記検知対象ガスが接触する側の面上において、前記固体電解質層を被覆する層の厚み又は密度は、一方の電極から他方の電極の方向へ向かって変化していることが好ましい。前記厚み又は前記密度の変化は、段階的な変化であってもよいし、漸次的な変化であってもよい。前記ガスセンサーにおいて、前記第1の電極を検知電極とし、前記第2の電極を参照電極とする場合、前記固体電解質層を被覆する層の厚み又は密度は、前記第1の電極に対向する部分よりも、前記第2の電極に対向する部分の方が厚い又は密である方が好ましい。そうすることにより、前記正電荷キャリアの移動がより促進される。   The thickness or density of the layer covering the solid electrolyte layer is changing from one electrode toward the other electrode on the surface of the solid electrolyte layer on the side where the detection target gas contacts. preferable. The change in the thickness or the density may be a step change or a gradual change. In the gas sensor, when the first electrode is used as a detection electrode and the second electrode is used as a reference electrode, the thickness or density of the layer covering the solid electrolyte layer is a portion facing the first electrode. It is preferable that the portion facing the second electrode is thicker or denser. By doing so, the movement of the positive charge carriers is further promoted.

ここで、前記ガスセンサーの第2の態様について、図を用いて説明する。固体電解質層の材質が臭化第一銅であり、検知対象ガスがアンモニアである場合のガスセンサーについて説明する。
図3は、前記ガスセンサーの第2の態様における一例の断面模式図である。図3に示すガスセンサーにおける前記正電荷キャリアの移動を促進する手段は、電圧源である。
図3に示すガスセンサーは、臭化第一銅からなる固体電解質層11と、第1の電極12と、第2の電極13と、電圧源14とを有している。第1の電極12及び第2の電極13は、固体電解質層11における検知対象ガスが接触する面と反対側の面上の一部に、隙間を有して並んでいる。電圧源14は、銅電極15、固体電解質層16、及び銀電極17がこの順で積層された構造である。
Here, the 2nd aspect of the said gas sensor is demonstrated using figures. A gas sensor when the material of the solid electrolyte layer is cuprous bromide and the detection target gas is ammonia will be described.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an example of the second aspect of the gas sensor. The means for promoting the movement of the positive charge carriers in the gas sensor shown in FIG. 3 is a voltage source.
The gas sensor shown in FIG. 3 has a solid electrolyte layer 11 made of cuprous bromide, a first electrode 12, a second electrode 13, and a voltage source 14. The first electrode 12 and the second electrode 13 are arranged with a gap on a part of the surface of the solid electrolyte layer 11 on the side opposite to the surface with which the gas to be detected contacts. The voltage source 14 has a structure in which a copper electrode 15, a solid electrolyte layer 16, and a silver electrode 17 are laminated in this order.

固体電解質層11の表面にアンモニアが吸着する。そうすると、固体電解質層11の表面に位置する銅イオンに前記アンモニアが配位する。前記アンモニアが配位した前記銅イオンは、固体電解質層11の表面に固定されるために、正電荷キャリアとしては働かなくなる。そうすると、固体電解質層11の内部では正電荷キャリア濃度が下がることになる。このとき、固体電解質層11に接した第2の電極13を介して、電圧源14からバイアス電圧が固体電解質層11に印加されていると、正電位を持つ第2の電極13付近から、より電位が低い第1の電極12付近に、銅イオンが移動しやすくなる。そして、前記銅イオンの移動の結果として、両電極間の電位差が変化する。   Ammonia is adsorbed on the surface of the solid electrolyte layer 11. Then, the ammonia is coordinated to copper ions located on the surface of the solid electrolyte layer 11. Since the copper ions coordinated with the ammonia are fixed on the surface of the solid electrolyte layer 11, they do not function as positive charge carriers. Then, the positive charge carrier concentration is lowered inside the solid electrolyte layer 11. At this time, when a bias voltage is applied to the solid electrolyte layer 11 from the voltage source 14 via the second electrode 13 in contact with the solid electrolyte layer 11, the second electrode 13 having a positive potential can be further Copper ions easily move near the first electrode 12 having a low potential. As a result of the movement of the copper ions, the potential difference between the two electrodes changes.

この電位差の変化は、印加されるバイアス電圧と、固体電解質層内部の正電荷キャリア密度(即ちアンモニアによって固体電解質層の表面に固定される銅イオンの表面積あたりの量)とに依存する。そのため、バイアス電圧を一定にすれば、雰囲気中のアンモニア濃度に対応する電位差が生じることになる。従って、固体電解質層に接し、電圧源に接続された電極と他方の電極との電位差、又は前記他方の電極から前記電圧源に至る経路中の電位差を測定することで、検知対象ガス濃度を測定することができる。   This change in potential difference depends on the applied bias voltage and the positive charge carrier density inside the solid electrolyte layer (that is, the amount per surface area of copper ions fixed to the surface of the solid electrolyte layer by ammonia). Therefore, if the bias voltage is made constant, a potential difference corresponding to the ammonia concentration in the atmosphere is generated. Therefore, the gas concentration to be detected is measured by measuring the potential difference between the electrode connected to the voltage source and the other electrode, or the potential difference in the path from the other electrode to the voltage source. can do.

次に、前記ガスセンサーの第2の態様の他の一例を示す。
図4A〜図4Cは、前記ガスセンサーの第2の態様における他の一例の模式図である。
図4A〜図4Cのガスセンサーは、臭化第一銅からなる固体電解質層21と、第1の電極22と、第2の電極23と、固体電解質層を被覆する層24とを有している。第1の電極22及び第2の電極23は、固体電解質層11における検知対象ガスが接触する面と反対側の面上の一部に、隙間を有して並んでいる。固体電解質層を被覆する層24は、天然ゴムから形成されており、第1の電極22に対向する部分よりも、第2の電極23に対向する部分のほうが固体電解質層21の表面積あたりの天然ゴムの量が多くなっている。その量の変化は、漸次的である。なお、図4A及び図4Cにおいては、視覚的にわかりやすいように、天然ゴムの量の変化を色の濃淡で示した。色が濃い方が天然ゴムの量が多いことを表す。
Next, another example of the second aspect of the gas sensor will be described.
4A to 4C are schematic views of other examples in the second mode of the gas sensor.
The gas sensor shown in FIGS. 4A to 4C includes a solid electrolyte layer 21 made of cuprous bromide, a first electrode 22, a second electrode 23, and a layer 24 covering the solid electrolyte layer. Yes. The first electrode 22 and the second electrode 23 are arranged with a gap on a part of the surface of the solid electrolyte layer 11 on the side opposite to the surface with which the detection target gas contacts. The layer 24 covering the solid electrolyte layer is made of natural rubber, and the portion facing the second electrode 23 is more natural per surface area of the solid electrolyte layer 21 than the portion facing the first electrode 22. The amount of rubber is increasing. The change in quantity is gradual. In FIG. 4A and FIG. 4C, the change in the amount of natural rubber is shown in shades of color for easy visual recognition. The darker the color, the greater the amount of natural rubber.

図4A〜図4Cのガスセンサーにおいては、固体電解質層を被覆する層24の第2の電極23に対向する部分のほうが、第1の電極22に対向する部分に比べて、固体電解質層21の表面積あたりの天然ゴムの量が多いため、固体電解質層21の第2の電極23側のほうが、第1の電極22側よりも電子のドープ量が多くなる。電子のドープ量の違いにより、第1の電極22の電位は、第2の電極23の電位よりも高くなる。更に、検知対象ガスが固体電解質層21に接触した際には、固体電解質層21において、固体電解質層21を被覆する面積あたりの天然ゴムの量が第2の電極23よりも少ない第1の電極22に近い領域で、検知対象ガスがより多く固定される。固体電解質層21において、固体電解質層を被覆する層24から離れた領域では、第2の電極23側よりも第1の電極22側がより正電荷キャリアが欠乏した状態となる。固体電解質層21において、キャリア濃度が均一な状態に近づけるために、第2の電極23側から第1の電極22側に向かって正電荷キャリアが拡散する。その結果、第1の電極22側の電位は、第2の電極23の電位よりも高くなる。   In the gas sensor of FIGS. 4A to 4C, the portion of the layer 24 that covers the solid electrolyte layer that faces the second electrode 23 is more in the solid electrolyte layer 21 than the portion that faces the first electrode 22. Since the amount of natural rubber per surface area is large, the amount of doped electrons is larger on the second electrode 23 side of the solid electrolyte layer 21 than on the first electrode 22 side. The potential of the first electrode 22 becomes higher than the potential of the second electrode 23 due to the difference in the amount of doped electrons. Furthermore, when the detection target gas contacts the solid electrolyte layer 21, the first electrode in which the amount of natural rubber per area covering the solid electrolyte layer 21 in the solid electrolyte layer 21 is smaller than that in the second electrode 23. In the region close to 22, more detection target gas is fixed. In the solid electrolyte layer 21, in a region away from the layer 24 covering the solid electrolyte layer, the first electrode 22 side is more deficient in positive charge carriers than the second electrode 23 side. In the solid electrolyte layer 21, positive charge carriers diffuse from the second electrode 23 side toward the first electrode 22 side so that the carrier concentration approaches a uniform state. As a result, the potential on the first electrode 22 side becomes higher than the potential of the second electrode 23.

図4A〜図4Cにおいては、固体電解質層を被覆する層24における、固体電解質層21の表面積あたりの天然ゴムの量が漸次変化する態様を示したが、固体電解質層を被覆する層24の態様はそれに限定されず、前記量の段階的な変化であってもよい。また、固体電解質層を被覆する層24は、正電荷キャリアの移動が促進できれば、固体電解質層における検知対象ガスが接触する面の一部にのみ形成されていてもよい。   4A to 4C show an embodiment in which the amount of natural rubber per surface area of the solid electrolyte layer 21 in the layer 24 covering the solid electrolyte layer is gradually changed. However, the embodiment of the layer 24 covering the solid electrolyte layer is shown. Is not limited thereto, and may be a stepwise change in the amount. Further, the layer 24 covering the solid electrolyte layer may be formed only on a part of the surface of the solid electrolyte layer in contact with the detection target gas as long as the movement of positive charge carriers can be promoted.

(センサー装置)
開示のセンサー装置は、開示のガスセンサーと、前記ガスセンサーの電位差の変化を検知する手段とを少なくとも有し、更に必要に応じて、その他の手段を有する。
(Sensor device)
The disclosed sensor device includes at least the disclosed gas sensor and means for detecting a change in potential difference of the gas sensor, and further includes other means as necessary.

<ガスセンサーの電位差の変化を検知する手段>
前記ガスセンサーの電位差の変化を検知する手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記センサー装置を小型化でき、かつ前記電位差変化を増幅できる点で、電界効果型トランジスタが好ましい。
<Means for detecting change in potential difference of gas sensor>
The means for detecting the change in the potential difference of the gas sensor is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. However, the electric field is different in that the sensor device can be miniaturized and the potential difference change can be amplified. Effect transistors are preferred.

前記ガスセンサーの電位差の変化を検知する手段は、前記ガスセンサーの第1の電極に接続されている。   The means for detecting a change in potential difference of the gas sensor is connected to the first electrode of the gas sensor.

<<電界効果型トランジスタ>>
前記電界効果型トランジスタとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ゲート電圧を印加するためのゲート電極と、電流を取り出すためのソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の間に配された活性層と、前記ゲート電極及び前記活性層の間に配されたゲート絶縁層とを有する電界効果型トランジスタなどが挙げられる。前記活性層の材質としては、例えば、シリコン、金属酸化物半導体などが挙げられる。
前記ガスセンサーの前記第1の電極は、前記ゲート電極に接続されている。
<< Field-effect transistor >>
The field effect transistor is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. For example, the gate electrode for applying a gate voltage, the source electrode and the drain electrode for extracting current, Examples include a field effect transistor having an active layer disposed between a source electrode and the drain electrode, and a gate insulating layer disposed between the gate electrode and the active layer. Examples of the material of the active layer include silicon and metal oxide semiconductors.
The first electrode of the gas sensor is connected to the gate electrode.

ここで、開示のセンサー装置の一例を図を用いて示す。
図5は、前記センサー装置の一例の断面模式図である。
図5に示すセンサー装置は、ガスセンサーと、電界効果型トランジスタとを有する。前記ガスセンサーは、固体電解質層1と、第1の電極2と、第2の電極3とを有する。第1の電極2は、固体電解質層1における一方の面上の一部に配されている。第2の電極3は、固体電解質層1の他方の面上において、第1の電極2と対向しかつ検知対象ガスが接触するガス接触部分4以外に配されている。電界効果型トランジスタは、活性層を兼ねるシリコン基板51と、ソース電極52と、ドレイン電極53と、ゲート絶縁層54と、ゲート電極55とを有する。ゲート電極52及びドレイン電極53は活性層を挟んで配されている。ゲート絶縁層54は、活性層及びゲート電極55の間に配されている。前記ガスセンサーの第1の電極2と、前記電界効果型トランジスタのゲート電極55とは、第1の配線56、及び第2の配線57を介して接続されている。そして、ゲート絶縁層54、ゲート電極55、第1の配線56、及び第2の配線57を覆うように絶縁層58が形成されており、その上に、前記ガスセンサーが配されている。
Here, an example of the disclosed sensor device will be described with reference to the drawings.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an example of the sensor device.
The sensor device shown in FIG. 5 includes a gas sensor and a field effect transistor. The gas sensor includes a solid electrolyte layer 1, a first electrode 2, and a second electrode 3. The first electrode 2 is disposed on a part of one surface of the solid electrolyte layer 1. The second electrode 3 is disposed on the other surface of the solid electrolyte layer 1 other than the gas contact portion 4 facing the first electrode 2 and in contact with the detection target gas. The field effect transistor includes a silicon substrate 51 that also serves as an active layer, a source electrode 52, a drain electrode 53, a gate insulating layer 54, and a gate electrode 55. The gate electrode 52 and the drain electrode 53 are arranged with the active layer interposed therebetween. The gate insulating layer 54 is disposed between the active layer and the gate electrode 55. The first electrode 2 of the gas sensor and the gate electrode 55 of the field effect transistor are connected via a first wiring 56 and a second wiring 57. An insulating layer 58 is formed so as to cover the gate insulating layer 54, the gate electrode 55, the first wiring 56, and the second wiring 57, and the gas sensor is disposed thereon.

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は下記実施例に何ら限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
図6A〜図6Cに示すようなガスセンサーを作製した。具体的には、以下の方法により、前記ガスセンサーを作製した。
Example 1
A gas sensor as shown in FIGS. 6A to 6C was produced. Specifically, the gas sensor was produced by the following method.

<第1の電極の形成>
幅12mm×長さ50mm×厚み0.6mmの、平均厚みが1μmである熱酸化膜付シリコンウェハー上に、幅10mm×長さ25mm×平均厚み30nmの金電極(第1の電極2)を真空蒸着法を用いて形成した。
<Formation of first electrode>
A gold electrode (first electrode 2) having a width of 10 mm, a length of 25 mm, and an average thickness of 30 nm is vacuumed on a silicon wafer with a thermal oxide film having a width of 12 mm × length of 50 mm × thickness of 0.6 mm and an average thickness of 1 μm. It formed using the vapor deposition method.

<固体電解質層の形成>
第1の電極2の一部を覆うように、幅8mm×長さ30mm×平均厚み0.5μmの銅層を真空蒸着法を用いて形成した。続いて、文献(Pascal Lauque, Marc Bendahan, Jean−Luc Seguin, Kieu An Ngo, Philippe Knauth, Analytica Chimica Acta, 515, (2004), 279−284)の「2.Experimental」に記載の方法と同様の方法で、臭化第二銅水溶液を用いて、前記銅層における銅を、臭化第一銅に変化させ、固体電解質層1を得た。得られた固体電解質層の平均厚みは、0.5μmであった。
<Formation of solid electrolyte layer>
A copper layer having a width of 8 mm, a length of 30 mm, and an average thickness of 0.5 μm was formed using a vacuum deposition method so as to cover a part of the first electrode 2. Subsequently, in literature (Pascal Laquee, Marc Bendahan, Jean-Luc Seguin, Kieu An Ngo, Philippe Knauth, Analytica Chimica Acta, ent. By the method, the copper in the said copper layer was changed into cuprous bromide using the cupric bromide aqueous solution, and the solid electrolyte layer 1 was obtained. The average thickness of the obtained solid electrolyte layer was 0.5 μm.

<第2の電極の形成>
更に、図6Aに示すように、第1の電極2とのギャップGの幅が1mmとなるように、幅10mm×長さ25mm×平均厚み60nmの銅層を真空蒸着法を用いて形成した。その上に、平均厚み30nmの金層を真空蒸着法を用いて形成し、銅層と金層との積層構造物(第2の電極3)を得た。以上により、ガスセンサーを得た。
ここで、前記ギャップGとは、第1の電極2を、第1の電極2が配された固体電解質層1の一方の面と対向する他方の面に投影した時の、投影された第1の電極2及び第2の電極3における互いに対向する端部同士の間隔を意味する。
<Formation of second electrode>
Further, as shown in FIG. 6A, a copper layer having a width of 10 mm × a length of 25 mm × an average thickness of 60 nm was formed by vacuum deposition so that the width of the gap G with the first electrode 2 was 1 mm. A gold layer having an average thickness of 30 nm was formed thereon using a vacuum vapor deposition method to obtain a laminated structure (second electrode 3) of a copper layer and a gold layer. Thus, a gas sensor was obtained.
Here, the gap G is the projected first when the first electrode 2 is projected onto the other surface opposite to one surface of the solid electrolyte layer 1 on which the first electrode 2 is disposed. It means the interval between the end portions of the electrode 2 and the second electrode 3 facing each other.

<電位差変化の評価>
作製したガスセンサーに、Keithley社製の196 system DMMを、第1の電極2が検知電極、及び第2の電極3が参照電極となるように接続し、両電極間の電位差を測定する構成とした。前記ガスセンサーを窒素ガス流路中に設置し、ガス源を、高純度窒素ガスと、濃度1ppmのアンモニアを含む窒素ガスとの間で切り替えることで、アンモニアに対する前記ガスセンサーの反応を評価した。前記ガスセンサーの反応の評価は、前記ガスセンサーを加熱せず、常温で行った。
なお、高純度窒素ガスは、流量4.0L/minで用いた。濃度1ppmのアンモニアを含む窒素ガスは、パーミエーター(商品名:PD−1B、株式会社ガステック製)を用いて生成し、温度30℃、流量2.8L/minの条件で発生させて用いた。
<Evaluation of potential difference change>
A configuration in which a 196 system DMM manufactured by Keithley is connected to the manufactured gas sensor so that the first electrode 2 serves as a detection electrode and the second electrode 3 serves as a reference electrode, and a potential difference between both electrodes is measured. did. The gas sensor was installed in a nitrogen gas flow channel, and the gas source was switched between high-purity nitrogen gas and nitrogen gas containing ammonia having a concentration of 1 ppm to evaluate the reaction of the gas sensor to ammonia. The reaction of the gas sensor was evaluated at room temperature without heating the gas sensor.
High purity nitrogen gas was used at a flow rate of 4.0 L / min. Nitrogen gas containing ammonia with a concentration of 1 ppm was generated by using a permeator (trade name: PD-1B, manufactured by Gastec Co., Ltd.) and generated under the conditions of a temperature of 30 ° C. and a flow rate of 2.8 L / min. .

図7に、測定された電位差と、時間変化との関係を示した。固体電解質層1に高純度窒素ガスが接触している状態でも、臭化第一銅と銅電極表面との界面で起きる銅の酸化還元反応の平衡により、参照電極の電位は、検知電極よりも56mVほど高くなっていた。気流を高純度窒素ガスから濃度1ppmのアンモニアを含む窒素ガスに切り替えると、検知電極の電位が高くなり、その結果測定される電位差は約6mV小さくなった。従って、実施例1のガスセンサーは、高感度な電位差測定形式のガスセンサーであることが確認できた。   FIG. 7 shows the relationship between the measured potential difference and the change with time. Even when the high purity nitrogen gas is in contact with the solid electrolyte layer 1, the potential of the reference electrode is higher than that of the detection electrode due to the equilibrium of the copper redox reaction occurring at the interface between the cuprous bromide and the copper electrode surface. It was as high as 56 mV. When the air flow was switched from high-purity nitrogen gas to nitrogen gas containing ammonia at a concentration of 1 ppm, the potential of the sensing electrode increased, and as a result, the measured potential difference was reduced by about 6 mV. Therefore, it was confirmed that the gas sensor of Example 1 was a highly sensitive potentiometric gas sensor.

(実施例2)
図8A〜図8Cに示すようなガスセンサーを作製した。具体的には、以下の方法により、前記ガスセンサーを作製した。
(Example 2)
A gas sensor as shown in FIGS. 8A to 8C was produced. Specifically, the gas sensor was produced by the following method.

<第1の電極の形成>
幅12mm×長さ50mm×厚み0.6mmの、平均厚みが1μmである熱酸化膜付シリコンウェハー上に、幅10mm×長さ20mm×平均厚み60nmの金電極(第1の電極2)を、真空蒸着法を用いて形成した。
<Formation of first electrode>
A gold electrode (first electrode 2) having a width of 10 mm, a length of 20 mm, and an average thickness of 60 nm is formed on a silicon wafer with a thermal oxide film having a width of 12 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 0.6 mm, and an average thickness of 1 μm. It formed using the vacuum evaporation method.

<固体電解質層の形成>
第1の電極2の一部を覆うように、幅8mm×長さ30mm×平均厚み200nmの臭化第一銅(固体電解質層1)を、RFマグネトロンスパッタリング法を用いて形成した。
RFマグネトロンスパッタリング法の条件は、以下のとおりとした。
・RFパワー:100W
・スパッタガス:Ar
・スパッタガス:流量30sccm
・ガス圧:0.5Pa
<Formation of solid electrolyte layer>
Cuprous bromide (solid electrolyte layer 1) having a width of 8 mm, a length of 30 mm, and an average thickness of 200 nm was formed by using an RF magnetron sputtering method so as to cover a part of the first electrode 2.
The conditions of the RF magnetron sputtering method were as follows.
・ RF power: 100W
・ Sputtering gas: Ar
・ Sputtering gas: Flow rate 30sccm
・ Gas pressure: 0.5Pa

<第2の電極の形成>
更に、図8Aに示すように、第1の電極2とのギャップGの幅が1mmとなるように、幅10mm×長さ20mm×平均厚み60nmの金電極(第2の電極3)を、真空蒸着法を用いて形成し、ガスセンサーを得た。
ここで、前記ギャップGとは、第1の電極2を、第1の電極2が配された固体電解質層1の一方の面と対向する他方の面に投影した時の、投影された第1の電極2及び第2の電極3における互いに対向する端部同士の間隔を意味する。
<Formation of second electrode>
Further, as shown in FIG. 8A, a gold electrode (second electrode 3) having a width of 10 mm × a length of 20 mm × an average thickness of 60 nm is evacuated so that the gap G with the first electrode 2 has a width of 1 mm. A gas sensor was obtained by using a vapor deposition method.
Here, the gap G is the projected first when the first electrode 2 is projected onto the other surface opposite to one surface of the solid electrolyte layer 1 on which the first electrode 2 is disposed. It means the interval between the end portions of the electrode 2 and the second electrode 3 facing each other.

<天然ゴムによる被覆>
得られた前記ガスセンサーを、天然ゴムのヘキサン溶液(天然ゴムの濃度は0.01体積%)に1分間浸漬し、ヘキサンで表面を洗浄した。その後、窒素中、100℃にて30分間のベーク処理により乾燥し、天然ゴム層5を固体電解質層1における検知対象ガスが接触する部分に固定させた。
<Coating with natural rubber>
The obtained gas sensor was immersed in a hexane solution of natural rubber (the concentration of natural rubber was 0.01% by volume) for 1 minute, and the surface was washed with hexane. Then, it dried by the baking process for 30 minutes at 100 degreeC in nitrogen, and fixed the natural rubber layer 5 to the part which the detection object gas in the solid electrolyte layer 1 contacts.

<電位差変化の評価>
第1の電極2を検知電極、第2の電極3を参照電極として、実施例1と同様に、濃度1ppmのアンモニアを含む窒素ガスを用いて、電位差の変化の評価を行った。結果を図9に示した。
天然ゴムからの電子のドープに起因する銅イオンの移動により、高純度窒素ガス中では検知電極側の電位が約1mV高かった。これは、バイアス電圧に相当する。そして、気流を高純度窒素ガスから濃度1ppmのアンモニアを含む窒素ガスに切り替えると、検知電極の電位は、約2mV高くなった。
以上より、炭素−炭素二重結合を持つ有機物質は、固体電解質層の正電荷キャリアの移動を促進する手段として使用可能であることが確認できた。
また、実施例2のガスセンサーは、高感度な電位差測定形式のガスセンサーであることが確認できた。
<Evaluation of potential difference change>
Similar to Example 1, nitrogen gas containing ammonia having a concentration of 1 ppm was used to evaluate the change in potential difference using the first electrode 2 as a detection electrode and the second electrode 3 as a reference electrode. The results are shown in FIG.
Due to the migration of copper ions due to the doping of electrons from natural rubber, the potential on the detection electrode side was about 1 mV higher in high purity nitrogen gas. This corresponds to a bias voltage. When the air flow was switched from high-purity nitrogen gas to nitrogen gas containing ammonia having a concentration of 1 ppm, the potential of the detection electrode increased by about 2 mV.
From the above, it was confirmed that the organic substance having a carbon-carbon double bond can be used as a means for promoting the movement of positive charge carriers in the solid electrolyte layer.
Further, it was confirmed that the gas sensor of Example 2 was a highly sensitive potential difference measurement type gas sensor.

(実施例3)
図10に示すようなガスセンサーを作製した。具体的には、以下の方法により、前記ガスセンサーを作製した。
(Example 3)
A gas sensor as shown in FIG. 10 was produced. Specifically, the gas sensor was produced by the following method.

<第1の電極及び第2の電極の形成>
幅12mm×長さ55mm×厚み0.6mmの、平均厚みが1μmである熱酸化膜付シリコンウェハー上に、幅10mm×長さ25mm×平均厚み30nmの2つ金電極(第1の電極12、及び第2の電極13)を、真空蒸着法を用いて形成した。前記2つの金電極は、対向する端部同士の間隔を1mm開けて設けた。
<Formation of first electrode and second electrode>
On a silicon wafer with a thermal oxide film having a width of 12 mm × length of 55 mm × thickness of 0.6 mm and an average thickness of 1 μm, two gold electrodes (first electrode 12, width 10 mm × length 25 mm × average thickness 30 nm) And a second electrode 13) were formed using a vacuum deposition method. The two gold electrodes were provided with an interval of 1 mm between the opposing ends.

<固体電解質層の形成>
前記2つの金電極の上に、幅8mm×長さ30mm×平均厚み0.5μmの銅層を、真空蒸着法を用いて形成した。続いて、文献(Pascal Lauque, Marc Bendahan, Jean−Luc Seguin, Kieu An Ngo, Philippe Knauth, Analytica Chimica Acta, 515, (2004), 279−284)の「2.Experimental」に記載の方法と同様の方法で、臭化第二銅水溶液を用いて、前記銅層における銅を臭化第一銅に変化させ、固体電解質層11を作製し、検知体を得た。
<Formation of solid electrolyte layer>
A copper layer having a width of 8 mm, a length of 30 mm, and an average thickness of 0.5 μm was formed on the two gold electrodes by using a vacuum deposition method. Subsequently, in literature (Pascal Laquee, Marc Bendahan, Jean-Luc Seguin, Kieu An Ngo, Philippe Knauth, Analytica Chimica Acta, ent. By the method, using the cupric bromide aqueous solution, the copper in the copper layer was changed to cuprous bromide to produce the solid electrolyte layer 11 to obtain a detector.

<バイアス電圧源の作製>
熱酸化膜付シリコンウェハー上に、上記<第1の電極及び第2の電極の形成>及び<固体電解質層の形成>と同様の方法を用いて、幅8mm×長さ20mm×平均厚み30nmの銅電極15、幅8mm×長さ15mm×平均厚み0.5μmの臭化第一銅層(固体電解質層16)、及び幅8mm×長さ15mm×平均厚み30nmの銀電極17をこの順に形成した。得られた積層構造体を、バイアス電圧源(電圧源14)として使用した。
<Preparation of bias voltage source>
Using a method similar to the above <Formation of first electrode and second electrode> and <Formation of solid electrolyte layer> on a silicon wafer with a thermal oxide film, the width 8 mm × length 20 mm × average thickness 30 nm A copper electrode 15, a cuprous bromide layer (solid electrolyte layer 16) having a width of 8 mm × a length of 15 mm × an average thickness of 0.5 μm, and a silver electrode 17 having a width of 8 mm × length of 15 mm × an average thickness of 30 nm were formed in this order. . The obtained laminated structure was used as a bias voltage source (voltage source 14).

電圧源14の銀電極17と、前記検知体の一方の金電極(第2の電極13)とを接続し、ガスセンサーを得た。
電圧源14の銅電極15を参照電極とし、前記検知体の他方の金電極(第1の電極12)を検知電極とする構成で、前記ガスセンサーを窒素ガス流路中に設置し、実施例1と同様にして、両電極間の電位差を測定しながら、ガス源を高純度窒素ガスと、濃度1ppmのアンモニアを含む窒素ガスとの間で切り替えることで、アンモニアに対する反応を評価した。この際、バイアス電圧源による電圧は、−90±3mVとした。
The silver electrode 17 of the voltage source 14 and one gold electrode (second electrode 13) of the detection body were connected to obtain a gas sensor.
An embodiment in which the copper electrode 15 of the voltage source 14 is used as a reference electrode and the other gold electrode (first electrode 12) of the detection body is used as a detection electrode, and the gas sensor is installed in a nitrogen gas flow path. In the same manner as in Example 1, the reaction to ammonia was evaluated by switching the gas source between high-purity nitrogen gas and nitrogen gas containing ammonia having a concentration of 1 ppm while measuring the potential difference between both electrodes. At this time, the voltage by the bias voltage source was −90 ± 3 mV.

図11に、測定された電位差と、時間変化との関係を示した。固体電解質層11に高純度窒素ガスが接触している状態でも、臭化第一銅と銅電極表面との界面で起きる、銅の酸化還元反応の平衡により、参照電極の電位は、検知電極よりも100mVほど高くなっていた。気流を高純度窒素ガスから濃度1ppmのアンモニアを含む窒素ガスに切り替えると、検知電極の電位が高くなり、その結果測定される電位差は約50mV小さくなった。   FIG. 11 shows the relationship between the measured potential difference and the change with time. Even when the high purity nitrogen gas is in contact with the solid electrolyte layer 11, the potential of the reference electrode is higher than that of the detection electrode due to the equilibrium of the copper redox reaction occurring at the interface between the cuprous bromide and the copper electrode surface. Was as high as 100 mV. When the air flow was switched from high-purity nitrogen gas to nitrogen gas containing ammonia at a concentration of 1 ppm, the potential of the detection electrode increased, and as a result, the measured potential difference was reduced by about 50 mV.

このように、固体電解質層表面の大気との接触を妨げることがないように複数の電極を設け、検知対象ガスと接触する面と略平行方向に、固体電解質層内部にバイアス電圧を印加する構成とし、固体電解質層に接する電極の一つを検知電極、バイアス電圧源において前記固体電解質層と接続しない側の電極を参照電極とすることでも、高感度な電位差測定形式のガスセンサーが得られることが確認できた。   As described above, a configuration in which a plurality of electrodes are provided so as not to prevent contact with the atmosphere on the surface of the solid electrolyte layer, and a bias voltage is applied inside the solid electrolyte layer in a direction substantially parallel to the surface in contact with the detection target gas. A highly sensitive potentiometric gas sensor can be obtained even if one of the electrodes in contact with the solid electrolyte layer is a detection electrode and the electrode on the side not connected to the solid electrolyte layer in the bias voltage source is a reference electrode. Was confirmed.

(実施例4)
図12A〜図12Cに示すようなガスセンサーを作製した。具体的には、以下の方法により、前記ガスセンサーを作製した。
Example 4
Gas sensors as shown in FIGS. 12A to 12C were produced. Specifically, the gas sensor was produced by the following method.

<第1の電極及び第2の電極の形成>
幅12mm×長さ55mm×厚み0.6mmの、平均厚みが1μmである熱酸化膜付シリコンウェハー上に、幅10mm×長さ20mm×平均厚み60nmの2つ金電極(第1の電極22、及び第2の電極23)を、真空蒸着法を用いて形成した。前記2つの金電極は、対向する端部同士の間隔を1mm開けて設けた。
<Formation of first electrode and second electrode>
On a silicon wafer with a thermal oxide film having a width of 12 mm × length of 55 mm × thickness of 0.6 mm and an average thickness of 1 μm, two gold electrodes (first electrode 22, width 10 mm × length 20 mm × average thickness 60 nm) And the second electrode 23) were formed using vacuum deposition. The two gold electrodes were provided with an interval of 1 mm between the opposing ends.

<固体電解質層の形成>
前記2つの金電極の上に、幅8mm×長さ30mm×平均厚み200nmの臭化第一銅(固体電解質層21)を、RFマグネトロンスパッタリング法を用いて形成し、デバイスを得た。
RFマグネトロンスパッタリング法の条件は、実施例2と同一である。
<Formation of solid electrolyte layer>
On the two gold electrodes, cuprous bromide (solid electrolyte layer 21) having a width of 8 mm, a length of 30 mm, and an average thickness of 200 nm was formed using an RF magnetron sputtering method to obtain a device.
The conditions of the RF magnetron sputtering method are the same as those in Example 2.

<天然ゴムによる被覆>
得られた前記デバイスを、天然ゴムのヘキサン溶液(天然ゴムの濃度は0.01体積%)に1分間浸漬した。その後に、シリコンウェハーの長辺を略垂直にした状態で、固体電解質層21表面で前記ヘキサン溶液を下に流し落としながら乾燥させた。即ち、この乾燥操作の時点の上側では、固体電解質層21表面上の単位面積当たりの天然ゴム量が少なく、下側では多い状態を形成し、天然ゴム層である固体電解質を被覆する層24を得た。このデバイスを、使用前に窒素気流中、室温で24時間保存し、ガスセンサーを得た。なお、図12A及び図12Cにおいては、固体電解質を被覆する層24における単位面積当たりの天然ゴム量を、色の濃淡で示した。具体的には、色が濃い方が単位面積当たりの天然ゴム量が多い。
<Coating with natural rubber>
The obtained device was immersed in a hexane solution of natural rubber (the concentration of natural rubber was 0.01% by volume) for 1 minute. Thereafter, the silicon wafer was dried while the hexane solution was poured down on the surface of the solid electrolyte layer 21 with the long side of the silicon wafer substantially vertical. That is, on the upper side of this drying operation, the amount of natural rubber per unit area on the surface of the solid electrolyte layer 21 is small, and on the lower side, a large state is formed, and the layer 24 covering the solid electrolyte that is the natural rubber layer Obtained. This device was stored in a nitrogen stream at room temperature for 24 hours before use to obtain a gas sensor. In FIG. 12A and FIG. 12C, the amount of natural rubber per unit area in the layer 24 covering the solid electrolyte is shown by color shading. Specifically, the darker the color, the greater the amount of natural rubber per unit area.

<電位差変化の評価>
前記乾燥の時点で下側にあった金電極(第2の電極23)を参照電極、上側にあった金電極(第1の電極22)を検知電極として、実施例1と同様に、濃度1ppmのアンモニアを含む窒素ガスを用いて、電位差の変化の評価を行った。結果を図13に示した。
天然ゴムからの電子ドープ量は、参照電極側では多く、検知電極側では少ないため、高純度窒素ガス雰囲気中で51±1mV、検知電極側の電位が高かった。これは、バイアス電圧に相当する。そして、気流を高純度窒素ガスから濃度1ppmのアンモニアを含む窒素ガスに切り替えると、検知電極の電位は約25mV高くなった。
以上から、実施例4のガスセンサーは、高感度な電位差測定形式のガスセンサーであることが確認できた。
<Evaluation of potential difference change>
As in Example 1, the concentration was 1 ppm, using the gold electrode (second electrode 23) on the lower side at the time of drying as the reference electrode and the gold electrode (first electrode 22) on the upper side as the detection electrode. The change in potential difference was evaluated using nitrogen gas containing ammonia. The results are shown in FIG.
Since the amount of electron dope from natural rubber is large on the reference electrode side and small on the detection electrode side, the potential on the detection electrode side was high at 51 ± 1 mV in a high purity nitrogen gas atmosphere. This corresponds to a bias voltage. When the air flow was switched from high-purity nitrogen gas to nitrogen gas containing ammonia having a concentration of 1 ppm, the potential of the detection electrode increased by about 25 mV.
From the above, it was confirmed that the gas sensor of Example 4 was a highly sensitive potentiometric gas sensor.

(比較例1)
図14A〜図14Cに示すようなガスセンサーを作製した。具体的には、以下の方法により、前記ガスセンサーを作製した。
(Comparative Example 1)
A gas sensor as shown in FIGS. 14A to 14C was produced. Specifically, the gas sensor was produced by the following method.

<第1の電極及び第2の電極の形成>
幅12mm×長さ55mm×厚み0.6mmの、平均厚みが1μmである熱酸化膜付シリコンウェハー上に、幅10mm×長さ20mm×平均厚み60nmの2つ金電極(第1の電極32、及び第2の電極33)を、真空蒸着法を用いて形成した。前記2つの金電極は、対向する端部同士の間隔を1mm開けて設けた。
<Formation of first electrode and second electrode>
On a silicon wafer with a thermal oxide film having a width of 12 mm × length of 55 mm × thickness of 0.6 mm and an average thickness of 1 μm, two gold electrodes (first electrode 32, width 10 mm × length 20 mm × average thickness 60 nm) And the second electrode 33) were formed using a vacuum deposition method. The two gold electrodes were provided with an interval of 1 mm between the opposing ends.

<固体電解質層の形成>
前記2つの金電極の上に、幅8mm×長さ30mm×平均厚み200nmの臭化第一銅(固体電解質層31)を、RFマグネトロンスパッタリング法を用いて形成し、デバイスを得た。
RFマグネトロンスパッタリング法の条件は、実施例2と同一である。
<Formation of solid electrolyte layer>
On the two gold electrodes, cuprous bromide (solid electrolyte layer 31) having a width of 8 mm, a length of 30 mm, and an average thickness of 200 nm was formed using an RF magnetron sputtering method to obtain a device.
The conditions of the RF magnetron sputtering method are the same as those in Example 2.

<天然ゴムによる被覆>
得られた前記デバイスを、天然ゴムのヘキサン溶液(天然ゴムの濃度は0.01体積%)に1分間浸漬し、ヘキサンで表面を洗浄した後に、窒素中、100℃にて30分間のベーク処理を行った。固体電解質層31上に形成された天然ゴム層35は、固体電解質層31上に均一に形成されていた。
<Coating with natural rubber>
The obtained device was immersed in a hexane solution of natural rubber (natural rubber concentration is 0.01% by volume) for 1 minute, washed with hexane, and then baked at 100 ° C. for 30 minutes in nitrogen. Went. The natural rubber layer 35 formed on the solid electrolyte layer 31 was uniformly formed on the solid electrolyte layer 31.

<電位差変化の評価>
前記2つの金電極の一方を参照電極、他方を検知電極として、実施例1と同様に、濃度1ppmのアンモニアを含む窒素ガスを用いて評価を行った。結果を、図15に示した。
この場合、参照電極と検知電極との間に構成上の違いがないため、両電極間の電位差は殆どない。気流を高純度窒素ガスから濃度1ppmのアンモニアを含む窒素ガスに切り替えても、天然ゴム層35は、正電荷キャリアの移動を促進する手段として機能しておらず、両電極間の電位差は、ほとんど変動しなかった。
<Evaluation of potential difference change>
In the same manner as in Example 1, evaluation was performed using nitrogen gas containing ammonia having a concentration of 1 ppm using one of the two gold electrodes as a reference electrode and the other as a detection electrode. The results are shown in FIG.
In this case, since there is no structural difference between the reference electrode and the detection electrode, there is almost no potential difference between the two electrodes. Even when the air flow is switched from high-purity nitrogen gas to nitrogen gas containing 1 ppm of ammonia, the natural rubber layer 35 does not function as a means for promoting the movement of positive charge carriers, and the potential difference between both electrodes is almost the same. It did not fluctuate.

1 固体電解質層
2 第1の電極
3 第2の電極
4 ガス接触部分
5 天然ゴム層
11 固体電解質層
12 第1の電極
13 第2の電極
14 電圧源
15 銅電極
16 固体電解質層
17 金電極
21 固体電解質層
22 第1の電極
23 第2の電極
24 固体電解質層を被覆する層
31 固体電解質層
32 第1の電極
33 第2の電極
35 天然ゴム層
51 シリコン基板
52 ソース電極
53 ドレイン電極
54 ゲート絶縁層
55 ゲート電極
56 第1の配線
57 第2の配線
58 絶縁層
α 領域
β 領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid electrolyte layer 2 1st electrode 3 2nd electrode 4 Gas contact part 5 Natural rubber layer 11 Solid electrolyte layer 12 1st electrode 13 2nd electrode 14 Voltage source 15 Copper electrode 16 Solid electrolyte layer 17 Gold electrode 21 Solid electrolyte layer 22 First electrode 23 Second electrode 24 Layer covering solid electrolyte layer 31 Solid electrolyte layer 32 First electrode 33 Second electrode 35 Natural rubber layer 51 Silicon substrate 52 Source electrode 53 Drain electrode 54 Gate Insulating layer 55 Gate electrode 56 First wiring 57 Second wiring 58 Insulating layer α region β region

Claims (16)

検知対象ガスを配位させる正電荷キャリアを含有する固体電解質層と、
前記固体電解質層における一方の面上の一部に配された第1の電極と、
前記固体電解質層の他方の面上において、前記第1の電極と対向しかつ前記検知対象ガスが接触する部分以外に配された第2の電極とを有することを特徴とするガスセンサー。
A solid electrolyte layer containing positive charge carriers for coordinating the gas to be detected;
A first electrode disposed on a part of one surface of the solid electrolyte layer;
A gas sensor comprising: a second electrode disposed on the other surface of the solid electrolyte layer other than a portion facing the first electrode and in contact with the detection target gas.
前記正電荷キャリアが、銅イオン及び銀イオンの少なくともいずれかである請求項1に記載のガスセンサー。   The gas sensor according to claim 1, wherein the positive charge carrier is at least one of copper ion and silver ion. 前記正電荷キャリアが、銅イオンである請求項1から2のいずれかに記載のガスセンサー。   The gas sensor according to claim 1, wherein the positive charge carrier is a copper ion. 前記第2の電極の材質が、前記正電荷キャリアの金属元素と同じ金属である請求項2から3のいずれかに記載のガスセンサー。   The gas sensor according to any one of claims 2 to 3, wherein a material of the second electrode is the same metal as the metal element of the positive charge carrier. 検知対象ガスを配位させる正電荷キャリアを含有する固体電解質層と、
前記固体電解質層における前記検知対象ガスが接触する側と反対側の面上に配された第1の電極、及び第2の電極と、
前記固体電解質層内における、前記固体電解質層の面方向かつ前記第2の電極から前記第1の電極の方向への前記正電荷キャリアの移動を促進する手段とを有することを特徴とするガスセンサー。
A solid electrolyte layer containing positive charge carriers for coordinating the gas to be detected;
A first electrode and a second electrode disposed on a surface opposite to the side in contact with the detection target gas in the solid electrolyte layer;
And a means for accelerating the movement of the positive charge carriers in the surface direction of the solid electrolyte layer and in the direction from the second electrode to the first electrode in the solid electrolyte layer. .
前記正電荷キャリアの移動を促進する手段が、電圧源である請求項5に記載のガスセンサー。   The gas sensor according to claim 5, wherein the means for promoting movement of the positive charge carriers is a voltage source. 前記正電荷キャリアの移動を促進する手段が、前記固体電解質層における前記検知対象ガスが接触する側の面上の少なくとも一部に配され、前記固体電解質層を被覆する層である請求項5に記載のガスセンサー。   The means for accelerating the movement of the positive charge carriers is a layer that is disposed on at least a part of the surface of the solid electrolyte layer on the side in contact with the gas to be detected and covers the solid electrolyte layer. The gas sensor described. 前記固体電解質層を被覆する層が、前記正電荷キャリアに配位可能な物質を含みかつ前記検知対象ガスを透過する層である請求項7に記載のガスセンサー。   The gas sensor according to claim 7, wherein the layer covering the solid electrolyte layer is a layer containing a substance capable of coordinating with the positive charge carriers and transmitting the detection target gas. 前記正電荷キャリアに配位可能な物質が、炭素−炭素2重結合を有する有機物質である請求項8に記載のガスセンサー。   The gas sensor according to claim 8, wherein the substance capable of coordinating with the positive charge carrier is an organic substance having a carbon-carbon double bond. 前記炭素−炭素2重結合を有する有機物質が、ポリイソプレンゴム、天然ゴム、及びポリブタジエンゴムのいずれかである請求項9に記載のガスセンサー。   The gas sensor according to claim 9, wherein the organic substance having a carbon-carbon double bond is any one of polyisoprene rubber, natural rubber, and polybutadiene rubber. 前記正電荷キャリアが、銅イオン及び銀イオンの少なくともいずれかである請求項5から10のいずれかに記載のガスセンサー。   The gas sensor according to claim 5, wherein the positive charge carrier is at least one of copper ion and silver ion. 前記正電荷キャリアが、銅イオンである請求項5から11のいずれかに記載のガスセンサー。   The gas sensor according to claim 5, wherein the positive charge carrier is a copper ion. 前記固体電解質層の材質が、臭化第一銅、硫化第一銅、硫化銀、ヨウ化銀、及びヨウ化銀ルビジウムのいずれかである請求項1から12のいずれかに記載のガスセンサー。   The gas sensor according to any one of claims 1 to 12, wherein a material of the solid electrolyte layer is any one of cuprous bromide, cuprous sulfide, silver sulfide, silver iodide, and silver rubidium iodide. 前記固体電解質層の材質が、臭化第一銅である請求項1から13のいずれかに記載のガスセンサー。   The gas sensor according to any one of claims 1 to 13, wherein a material of the solid electrolyte layer is cuprous bromide. 請求項1から14のいずれかに記載のガスセンサーと、
前記ガスセンサーの前記第1の電極に接続し、前記ガスセンサーの電位差の変化を検知する手段とを有することを特徴とするセンサー装置。
A gas sensor according to any one of claims 1 to 14,
A sensor device connected to the first electrode of the gas sensor to detect a change in potential difference of the gas sensor;
前記ガスセンサーの電位差の変化を検知する手段が、電界効果型トランジスタである請求項15に記載のセンサー装置。   The sensor device according to claim 15, wherein the means for detecting a change in potential difference of the gas sensor is a field effect transistor.
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